在大多数运算放大器 (op amp) 电路中,电阻容差和电阻温度系数决定增益精度和增益温度漂移(图 1 显示了典型电路)。本文将比较和对比分立电阻器和网络电阻器。
电阻网络是包含多个连接到引脚的电阻的单个封装。制造电阻网络的方法有很多种,但精密网络的常见方法是在硅基板上沉积薄膜电阻材料。例如,TI 的 RES11A 电阻网络使用硅铬 (SiCr)。
这里重要的一点是,网络中每个电阻器上使用的材料是在同一制造批次中使用完全相同的材料制造的。这意味着给定网络上每个电阻器的材料特性将与网络上的其他电阻器紧密匹配。
更重要的是,这意味着电阻器温度系数和内部方块电阻等特性将非常接近。方块电阻是薄膜电阻器单位面积的电阻值;如果薄层电阻匹配良好并且两个电阻器的几何形状在整个工艺过程中保持一致,则它们将具有一致的电阻比。
与分立电阻器相比,一致的比率使电阻器网络具有固有的良好增益精度和增益温度漂移。相反,您应该假设分立电阻器的温度漂移和容差是随机的且彼此不相关。
例如,如果图 1中使用的电阻器是分立的,则每个电阻器的容差和温度漂移将在规格范围内,但不会与设计中的其他电阻器相关。这意味着分立电阻上的电阻比的增益精度和增益温度漂移将比同类电阻网络上的差得多。
图 1显示了典型电路上常见的运算放大器增益和衰减配置。资料来源:德州仪器
图 1 中所示运算放大器的增益按照两个电阻器的比率计算(参见公式 1)。每个电阻器的容差将决定增益误差。对于容差为 0.1% 的分立电阻器,当两个电阻器的误差且极性相反时,会出现坏情况的误差(请参见公式 2 和公式 3,其中 TOL RF = +0.1% 且 TOL RG = –0.1 %)。
相反,如果电阻器误差相等且具有相同极性,则电阻器误差相互抵消,并且总增益误差为零。
由于电阻网络中的所有电阻器都是同时制造的,因此一个电阻器中引入的误差将按比例跟踪其他电阻器。例如,RES11A 电阻网络的每个电阻器的容差为 ±12%,但电阻器的电阻比容差值为 ±0.05%(对于 RES11A ,指定为 t D1 )。
对于 RES11A 电阻网络,公式 4 计算网络的增益误差。公式 5 说明了电阻器的误差可能很大(RES11A 的t abs = 12%),但比率误差却很小(t D1 = 0.05%)。
公式 5 的包含仅用于说明目的;公式 4 是计算由容差引起的增益变化的正确方法。公式 6 显示了增益误差计算结果,该值明显低于分立 0.1% 电阻器选项。
分立网络与电阻网络的温度漂移精度
电阻器的温度系数 (TC) 通常以百万分之一/摄氏度为单位指定。对于分立电阻器,TC 规格通常范围为 ±10 ppm/°C 至 ±100 ppm/°C。通常,具有良好容差的电阻器也将具有良好的 TC。
例如,容差为 ±1% 的电阻器通常具有 ±100 ppm/°C 的 TC,而容差为 ±0.1% 的电阻器通常具有 ±20 ppm/°C 的 TC。对于分立电阻器,每个电阻器都有一个与其他分立电阻器不相关的 TC。
相反,网络中的电阻器可能具有相对较大的 TC,但电阻器之间的 TC 具有出色的跟踪能力。例如,RES11A 的 TC 为 ±18 ppm/°C,但相对跟踪 TC 为 ±2 ppm/°C。
公式 7 至公式 11 比较了分立电阻器和 RES11A 电阻器网络在 100°C 温度变化下的增益误差漂移。用于分立电阻器的 TC 为 ±20 ppm/°C,而电阻网络 TC 为 ±18 ppm/°C,比率 TC 为 ±2 ppm/°C。请注意,网络电阻器上的温度漂移误差实际上被抵消,因为封装中每个电阻器的 TC 都紧密跟踪(100°C 范围内的误差为 0.02%)。
相反,分立电阻的 TC 不跟踪,因此漂移误差很大(100°C 范围内的误差为 0.40%)。与公式 5 类似,公式 10 的包含只是为了说明目的,以显示电阻 TC 跟踪的取消。公式 9 是确定网络温度漂移引起的 RES11A 增益变化的实际方法。
电阻网络的其他应用
除了作为精密运算放大器网络良好工作之外,您还可以使用电阻网络作为精密衰减器。一个非常有用的常见应用是将 0 V 至 10 V 信号转换为 0 V 至 3 V 信号。甚至可以对非常高的电压信号进行这种转换。例如,RES60A 电阻网络可以将 1,400V 信号转换为 2.75V 信号(见图2)。
您应该使用分立电阻还是电阻网络?
图 2显示了带有电阻网络的高压衰减器。资料来源:德州仪器
电阻网络也常用于使用运算放大器构建差分放大器和仪表放大器。差分放大器的共模抑制取决于两个分压器的匹配,因此使用匹配电阻可以显着提高共模抑制比。